Учебное пособие 1836

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

М.И. Герасимов И.А. Болдырев А.С. Кожин

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ:

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2018

УДК 681.381(075.8)

ББК 32.844.1я7 Г371

Рецензенты:

кафедра информатики и вычислительной техники Международного института компьютерных технологий, г. Воронеж (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.А. Каладзе);

канд. техн. наук, доц. В.А. Медведев

Герасимов, М.И.

Функциональные узлы цифровой электроники: лабораторный прак-

тикум: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (2,0 Мб) / М.И. Герасимов, И.А. Болдырев, А.С.

Г371 Кожин. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. – 1 электрон. опт. диск (CDROM). – Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ;

Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; Adobe Acrobat; CDROM; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-0658-6

В практикуме содержатся теоретические сведения об устройстве и принципах работы исследуемых узлов, общие положения по организации лабораторных работ, инструкции по технике безопасности, предварительное и рабочее задания к лабораторной работе, определяющие порядок исследования, а также контрольные и итоговые вопросы.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), дисциплине «Цифровая электроника».

Пособие предназначено для студентов 3-го курса, необходимо при изучении последующих дисциплин и может быть использовано при написании выпускной квалификационной работы, а также представляет интерес для преподавателей, аспирантов и специалистов, связанных с разработкой и исследованием различных систем управления.

Табл. 13. Ил. 35. Библиогр.: 12 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский

2

ВВЕДЕНИЕ

Системы управления в промышленности – это многоуровневые многопроцессорные системы, в состав которых входят как микропроцессорные устройства (МПУ) – управляющие ЭВМ [1], так и вспомогательные узлы с фиксированными целевыми функциями. В настоящем цикле работ изучаются как более простые узлы на основе комбинационных и последовательностных микросхем, так и интерфейсные блоки МПУ – цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи.

Данный практикум рекомендуется в качестве руководства для выполнения лабораторных работ по курсу «Цифровая электроника» студентами, проходящими обучение в образовательных учреждениях высшего образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах». Он разработан с учётом действующих государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по данному направлению.

Материалы данного практикума выполнены в виде электронного документа с использованием аппарата гиперссылок и других средств повышения наглядности и удобства использования. При необходимости совмещения на дисплее текста МУ и программы коммутации схем рекомендуется использовать режим «В окне» + «Веб-документ», при этом размер шрифта выбирать масштабом.

В начале цикла проводится обучение студентов правилам безопасности, действующим в лаборатории, и правилам пользования стендом. После получения инструктажа каждый студент дает обязательство строго соблюдать данные правила, расписываясь в соответствующем журнале. В случае нарушения правил студенты могут быть отстранены от работы и подвергнуты повторной сдаче зачета по технике безопасности.

Отзывы, замечания и предложения по совершенствованию практикума просьба направлять автору по адресу электронной почты migeras@bk.ru.

3

ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИКЛА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Состав и задачи цикла работ

Программа дисциплины "Цифровая электроника" предусматривает проведение четырех лабораторных работ (18 часов). За этот период преподаватель может выбрать лабораторные работы по темам, перечисленным в табл. 1.

В начале цикла проводится обучение студентов правилам безопасности, действующим в лаборатории, и правилам пользования лабораторным оборудованием (стендом, осциллографом и другими приборами). После получения инструктажа каждый студент дает обязательство строго соблюдать данные правила, расписываясь в соответствующем журнале. В случае нарушения правил, студенты могут быть отстранены от работы и подвергнуты повторной сдаче зачета по технике безопасности.

Содержание цикла лабораторных работ – изучение свойств основных функциональных узлов, выполненных на цифровых микросхемах (цифровой электроники – ЦЭ). В результате студент должен научиться читать принципиальные схемы узлов ЦЭ, а также синтезировать эти узлы, приобрести начальные навыки их экспериментального исследования.

4

Проведение каждой лабораторной работы включает этапы подготовки, выполнения работы, оформления и защиты отчета. Перед выполнением работы преподаватель может произвести опрос по контрольным вопросам, отмеченным полужирным шрифтом, для проверки готовности студентов к исследованию (допуск – см. ниже). Каждая лабораторная работа требует ориентировочно 2 часа на подготовку к выполнению и 2 часа на оформление отчета и подготовку к его защите. Это время предусмотрено в учебном плане как самостоятельная работа.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

При подготовке к работе следует:

- изучить теоретические сведения, приведенные в методических указаниях и рекомендованной литературе;

-составить заготовку отчета с названием работы, планом эксперимента (в развернутой форме), заголовками подлежащих заполнению таблиц, диаграмм и т.п.;

-подготовить ответы на те контрольные вопросы к данной работе, которые отмечены полужирным

шрифтом (Bold).

Основной стадией подготовки к работе является составление плана эксперимента (ПЭ) – в данном цикле для изучения лабораторного стенда либо исследования различных функциональных узлов и микросхем. Бригада, не подготовившая ПЭ, к выполнению работы не допускается. План должен включать:

-цель работы (приведена в методических указаниях к каждой работе);

-функциональный анализ исследуемого устройства (узла, микросхемы);

-перечень дополнительных элементов, необходимых для исследования (рекомендованы в МУ);

-принципиальную схему (схемы) эксперимента;

5

-перечень подлежащих выполнению процедур, названия и местонахождение анализируемых сигналов,

методику измерений или исследований. Функциональный анализ начинают с уяснения назначения

устройства. Затем следует составить список его функций, изучив соответствующую литературу, ссылки на которую приведены в МУ к каждой работе. Если устройство имеет несколько функций, следует определить их взаимное влияние, в частности приоритеты. Для микросхемы следует соотнести каждый вход, выход, двунаправленный вывод

исоответствующую функцию, объединив выводы в группы по признаку функциональной связанности (например, однородные выводы). Удобно при этом пользоваться структурными

ифункциональными схемами устройств, а при изучении микросхем – их условными графическими обозначениями. Уяснив назначение входов, следует определить, какое состояние должны иметь те из них, которые не исследуются на данной стадии эксперимента. При изучении микросхемы перечень процедур обычно соответствует ее таблице истинности, приводимой в справочниках.

Далее следует выбрать дополнительные элементы, необходимые для исследования микросхемы (делитель частоты

ит.п.), и составить принципиальную схему (схемы) эксперимента – схему соединения этих элементов, исследуемой схемы

иполей стенда. Следует предусмотреть также подачу напряжений питания на все схемы, потенциалов лог. ˶0" и лог. ˶1" –

на неиспытываемые входы (в частности, на прямые динамические входы рекомендуется подавать лог. ˶1", а на инверсные –

лог. ˶0"), сигналов начальной установки и т.п. Внутри УГО ка-

ждой микросхемы следует отметить ее расположение на стенде (контактные колодки +1, +2, +3). Каждому проводнику (линия связи между элементами) следует присвоить уникальное для схемы имя. Для входных и выходных цепей рекомендуется использовать имена, полученные из таблицы истинности,

6

для промежуточных цепей – связанные с именем/ номером выхода, подключенного к данной цепи (например, для выхода +2:8 удобно имя «28»), либо с функцией сигнала (например, «X2А2#» для сигнала X2 после логического умножения на А2 и инвертирования). Все элементы схемы следует пронумеровать по правилу, приведенному в [1], в соответствии с правилом «слева – столбцами_сверху_вниз – направо». При разнесенном изображении нескольких одинаковых элементов (например, логических элементов), содержащихся в одном корпусе, им присваивают одно и то же обозначение, например, DD12, дополняя его для каждого элемента порядковым номером через точку (DD12.1, DD12.2, DD12.3…) в соответствии с тем же правилом в пределах устройства.

Следующим этапом планирования является составление (на основе результатов функционального анализа устройства) перечня подлежащих выполнению процедур. В перечне следует определить вид подаваемых на входы сигналов и порядок их

на индикацию. Рекомендуется разбить эксперимент на стадии, каждая из которых должна соответствовать исследованию одной функции, и дать им названия (например, по анализируемой функциональной группе входов). В состав эксперимента должно входить исследование функционирования устройства как при подаче стандартных комбинаций входных воздействий, так и при конфликтных ситуациях (для проверки приоритетов, защит и т.п.) Полученный перечень должен иметь наглядный вид и сопровождаться необходимым комментарием.

Проведение лабораторной работы

К началу лабораторного занятия каждый студент должен представить отчет по предыдущей лабораторной работе (требования к отчету см. ниже) и заготовку отчета для очередной работы (со схемами и планом экспериментов). В начале каждого занятия студент защищает отчет по предыдущей работе и

7

сдает коллоквиум по очередной. Если на коллоквиуме выясняется, что студент не готов к работе или не выполнил предварительного задания, то к работе он не допускается, так же как и студент, не защитивший двух предыдущих работ к моменту выполнения очередной работы. Пропущенную по неуважительной причине лабораторную работу студент, как правило, выполняет на последней неделе семестра.

Входе лабораторной работы студентам следует обдумывать теоретическое обоснование каждого опыта перед его выполнением и после оформления результатов. Перед снятием показаний приборов в каждой точке полезно качественно просмотреть поведение устройства в целом, выявить и зафиксировать характерные значения аргументов и функций, сравнить с теоретическими предсказаниями и, в случае существенного расхождения, выявить причину. Основные навыки пользования лабораторным оборудованием студенты получают в ходе предшествующих курсов.

Впроцессе выполнения лабораторной работы все данные заносят в отчет или в протокол (один на бригаду), который после выполнения работы подписывается преподавателем и служит исходным материалом при составлении отчета.

Заключительной стадией проведения эксперимента должен быть анализ полученных результатов и формулирование выводов, которые заносятся в отчет.

Требования к оформлению отчета по работе

Отчет должен выполняться на стандартных листах либо в тетради (для всего цикла работ) аккуратно и в соответствии с [5]. Он должен содержать заголовок с выходными данными (институт, кафедра, группа, авторы, дата оформления, наименование лабораторной работы), материалы подготовительной стадии работы (см. выше), результаты эксперимента, их анализ и выводы. Графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге или на белой с нанесенной масштабной сеткой, в отчете должны помещаться необходимые пояснения к графи-

8

кам. Сопоставляемые зависимости должны быть изображены на одном рисунке. На изображениях осциллограмм необходимо указать масштабы. На координатных осях должны быть нанесены обозначения отложенных переменных.

Краткая инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторных работ

Перед началом выполнения лабораторных работ студенты обязаны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового электрооборудования и распределительного щита.

Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных правил техники безопасности:

1.До начала работы все ее участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой соединений, усвоить расположение электрических цепей и элементов электрооборудования, обратив особое внимание на место расположения выключателей со стороны питающей сети. Сборка схемы и ее изменение должны производиться при отключенных выключателях со стороны питающей сети.

2.Нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под опасным напряжением.

3.После произведенных в схеме изменений она должна быть проверена преподавателем и только с его разрешения подключена к сети.

4.До пуска лабораторной установки необходимо произве-

сти ее осмотр и убедиться в исправности заземления и от-

сутствии посторонних предметов. Перед включением установки необходимо проверить, нет ли опасности прикосновения к токоведущим элементам схемы. Включающий напряжение обязан предупредить об этом всех работающих на установке. При проверке схемы, находящейся под напряжением, необхо-

9

димо стоять на диэлектрическом коврике. Проверку следует производить вольтметром с хорошо изолированными проводами или специальными индикаторами.

5.Студентам не разрешается резать, сращивать и расплетать провода. Смена предохранителей производится преподавателем или лаборантом при отключении всех выключателей на рабочем месте.

6.Разборка схем допускается только при отключении напряжения питания. В случае неисправности установки необходимо ее немедленно отключить и сообщить об этом преподавателю.

Указания по пользованию приборами

При подключении двухлучевого осциллографа к измеряемым цепям следует учитывать, что оба его входа имеют общую точку, связанную с корпусом прибора, поэтому общую точку должны иметь и измеряемые сигналы, если они гальванически связаны. Следует помнить, что схема лабораторного стенда не обеспечивает быстродействующую защиту источников постоянного тока от коротких замыканий, поэтому студентам рекомендуется тщательно проверять собранные схемы перед подачей на них питания. В случае вывода стенда из строя бригада, работавшая на нем, заканчивает выполнение работы в другое время по согласованию с преподавателем.

10